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基于棱镜正像的大量程光栅三角测量研究

基于棱镜正像的大量程光栅三角测量研究

作者：吴鹏飞华中科技大学

学位级别：硕士

激光三角测量应用广泛,为了进一步拓展其应用场景,本文对其进行了扩程研究。传统激光三角测量量程和精度的矛盾难以克服,因此本文在利用光栅衍射实现CCD分段复用的基础上,提出使用棱镜正像的方法改善了光路,设计了一套大量程激光三角测... 详细信息

激光三角测量应用广泛,为了进一步拓展其应用场景,本文对其进行了扩程研究。传统激光三角测量量程和精度的矛盾难以克服,因此本文在利用光栅衍射实现CCD分段复用的基础上,提出使用棱镜正像的方法改善了光路,设计了一套大量程激光三角测量系统,该系统在大量程范围内具有较小的重复性测量误差。本文的主要工作如下:(1)详细分析了利用光栅衍射实现CCD分段复用方法的优缺点,针对其问题,提出了使用棱镜正像减小其光学像差,并给出了大量程激光三角测量的整体方案。(2)对大量程激光三角测量系统进行了设计计算。其中对光路进行了仿真分析,得到的仿真结果的点列图RMS(均方根半径值)和GEO(几何半径)均不超过5μm。根据仿真结果设计了一套机械装夹机构,在此基础上使用了平面反射镜将光路进行折叠,缩小了整体结构尺寸。(3)在光路调整过程中,本文利用光的可逆性提出了一种棱镜调节的新方法,成功解决了本系统棱镜调整的难题。(4)在光斑重心识别上,本文介绍了传统质心法相关算法、Hough变换法和高斯拟合法,并做了对比实验。除此之外,针对本系统又采用柱面镜将点斑转化为线斑进而使用曲线拟合法较高精度地识别了光斑重心。同时还给出了光斑分级算法。(5)对本测量系统分别进行了点焦标定测量实验和线焦标定测量实验。线焦测量实验结果表明:在0～12.2mm量程范围内具有±4μm以内的重复性测量误差,在12.2～21.4mm量程范围内具有±15μm以内的重复性测量误差。

关键词：激光三角法扩展量程光栅衍射棱镜正像重心识别

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有效扩展核辐射监测系统量程的方法浅析

核标准计量与质量 1996年第4期 26-27页

作者：程景泰杨卫东核工业标准化研究所

EJ/T984—95环境监测用X,γ辐射仪中规定,剂量率监测系统的有效量程应至少为1×10-3Gyh-1～2.5×10-4Gyh-1;而GB11683—89应急辐射防护用携带式高量程X,γ和β辐射剂量和剂量率仪中规定,剂量率仪的有效量程为10-4Gyh-1～10Gyh-1。在核... 详细信息

EJ/T984—95环境监测用X,γ辐射仪中规定,剂量率监测系统的有效量程应至少为1×10-3Gyh-1～2.5×10-4Gyh-1;而GB11683—89应急辐射防护用携带式高量程X,γ和β辐射剂量和剂量率仪中规定,剂量率仪的有效量程为10-4Gyh-1～10Gyh-1。在核电厂正常和预期事件状态下,厂区周围的环境辐射水平基本上属于自然本底,而在严重事故状态下烟羽区的剂量率可达10Gyh-1。因此,剂量率监测系统应具备高灵敏度和宽量程。

关键词：核辐射监测剂量率仪探测器计数率辐射监测系统有效量程辐射防护环境监测测量时间扩展量程

基于无衍射光及光栅衍射的激光三角测量系统研制

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基于无衍射光及光栅衍射的激光三角测量系统研制

作者：魏成祥华中科技大学

学位级别：硕士

大量程高精度是激光三角测量技术的发展趋势,但量程与精度之间的矛盾一直约束着其适用场景。本文利用无衍射光束焦深大的特点,在光栅衍射扩程的基础上提出了一种基于无衍射光及光栅衍射的激光三角测量系统,有效地缓解了两者之间的矛盾... 详细信息

大量程高精度是激光三角测量技术的发展趋势,但量程与精度之间的矛盾一直约束着其适用场景。本文利用无衍射光束焦深大的特点,在光栅衍射扩程的基础上提出了一种基于无衍射光及光栅衍射的激光三角测量系统,有效地缓解了两者之间的矛盾。本文的主要研究内容如下:(1)对传统激光三角法进行原理性阐述,并推导了物像关系;分析了光栅衍射的扩程和使用棱镜减小视场角来优化成像质量的原理;针对该扩程方法在大量程测量时精度下降的问题,提出了本文的测量方案,使用球面像差法实现的无衍射光束代替高斯光束来提高系统的焦深,并对测量系统进行光学设计、仿真分析和结构设计;设计了一种无衍射光的调节装置,来解决激光器定位误差的问题。(2)比较了使用不同的滤波器提取无衍射光斑的效果;针对本文获取的无衍射光斑图像,提出了一种新的光斑定中算法,根据圆环特征拟合多个椭圆找出共同的中心,实验表明中心点的定位精度可达亚像素级;详细说明了光斑分级的处理方法,介绍了软件的总体设计流程。(3)提出了一种基于光楔的小型半导体激光干涉测长仪,使用半导体激光器和一对光楔来优化光学系统和机械结构,完成了测长仪的整体设计;使用设计的小型干涉仪完成了与双频激光干涉仪的对比实验并进行了误差分析,结果验证了本文设计的测长仪具有较好的重复性和精度以及较大的量程,能够方便准确地检测基于无衍射光及光栅衍射的激光三角测量装置的性能。(4)对本文研究的无衍射光照明激光三角测量系统进行了性能实验并分析了误差来源;实验结果表明本系统将误差降低了26.6μm,提高了大量程激光三角测量的精度。

关键词：激光三角测量扩展量程无衍射光图像处理干涉测长仪

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拼接式直线时栅传感结构设计与优化

拼接式直线时栅传感结构设计与优化

作者：王博文重庆理工大学

学位级别：硕士

伴随着我国制造业进入转型升级的关键阶段,对高端重型制造装备的需求日益增加,相应对高精度大量程绝对式直线位移测量技术有了更高的要求,需同时具备量程范围达数米级和高精度;能够实现全量程范围内的绝对定位且无测量累计误差。然而大... 详细信息

伴随着我国制造业进入转型升级的关键阶段,对高端重型制造装备的需求日益增加,相应对高精度大量程绝对式直线位移测量技术有了更高的要求,需同时具备量程范围达数米级和高精度;能够实现全量程范围内的绝对定位且无测量累计误差。然而大量程与高精度往往不可同时兼得,这就为大量程绝对式直线位移传感器的设计与研发带来了一大挑战。当下在高端重型制造装备中,光栅扮演着重要角色,然而国外的光栅企业长期对我国实行技术的严格封锁,加上在国内光栅研究起步晚、较为落后,以致国内的高精度光栅长期依赖于进口。为了避免该项卡脖子技术阻碍我国制造业的长远发展,另辟蹊径着手高端大量程绝对式直线位移传感器的研发有助于解决我国高端重型制造装备核心关键技术的重大需求。作者所在研究团队多年来致力于基于时栅测量原理的位移传感器的研究工作。通过建立匀速运动参考系将空间位移量转化为时间量,来实现空间位移测量。绝对式直线时栅位移传感器在团队前期已经提出,该传感器在实际生产制造过程中,其量程大小受其绝对定位精度和传感器制造精度的影响,导致其无法在量程要求达数米级别的应用中,实现绝对位移测量。本文提出一种能通过拼接技术将多段量程较小的相同传感器的定尺进行拼接来扩展量程,拼接后的传感器总量程等于参与拼接的定尺的数量乘以每段定尺的量程大小,从而在量程要求达数米级别的应用中,能实现绝对位移测量的拼接式直线时栅位移传感器,以打破前期团队提出的传感器量程大小受其绝对定位精度的限制。本文以该传感器的设计为主线,开展的工作如下:1)基于电场式直线时栅位移传感器的研究,以类似游标卡尺实现定位的差极原理来实现绝对式直线位移测量的方法,设计了拼接式直线时栅传感结构,通过在传感器的定尺上设置接收电极,对应动尺上设置了前传感单元(FSU)和后传感单元(RSU),这一特殊结构设计使得感应信号在定尺拼接处能完成平滑过渡,并同时作为绝对位移测量信号和动尺的空间位置判断信号,使其具备在多段定尺拼接后完成整个量程内的绝对位移计算的条件;此外,FSU和RSU的反射电极与定尺的接收电极配合,使得动尺上通过电场耦合到的感应信号经反射传递回到定尺进行输出,实现了动尺的无源化,避免了信号输出电缆链移动对测量的影响,使其具备良好的工业适用性;2)分析设计出拼接式直线时栅位移传感器的绝对测量原理;具体是在FPGA中,首先对每段定尺接收电极输出的感应信号进行编码解码,来实现对动尺的空间位置判断;再将每段定尺的感应信号处理成该段定尺的绝对位移值;最后,根据动尺的不同空间位置对应的拼接后绝对位移算法进行计算,来完成传感器的多段定尺拼接后全量程的绝对位移测量;3)对拼接式直线时栅传感结构的测量误差进行系统性分析。主要从传感结构的周期内误差、激励信号参数误差、拼接式传感结构的误差、安装引入的误差等方面进行分析;4)搭建了精密防震实验平台。主要从硬件电路系统设计、传感器样机的设计制造以及实验测试平台的搭建方面开展工作,为基于拼接式传感结构的直线位移传感器的验证实验研究作了充分的前期准备;5)传感器样机精度测试与验证实验。对拼接式直线时栅位移传感器样机进行单周期和大量程实验,结合传感器误差理论分析表明:传感器样机单周期测量误差中一次谐波误差大是传感器工作时定尺上八个接收电极(R1-R8)均会收到来自两端激励电极的串扰信号且幅值不一致引起的;6)传感结构优化。通过对实验结果进行误差分析,提出一种分时复用电极原理的全新拼接式传感结构,有效地减小了激励电极中激励信号对接收电极的信号串扰,进而减小了测量误差中的一次谐波误差。实验结果表明:优化后的传感器在单周期内测量误差达到1.53μm,在定尺i和定尺i+1拼接后整个量程988 mm内测量误差为±3.5μm。与优化前的传感器相比,充分验证了误差分析的正确与否以及优化后传感结构的可行性。

关键词：拼接技术扩展量程绝对式直线位移测量分时复用

基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置及方法

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基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测距装置及方法

作者：冯朝阳华中科技大学

学位级别：硕士

激光三角测距法作为一种典型的光学测距技术,不仅具有光学测距技术本身的特点,还具有原理易懂、结构简单、装配灵活、性价比高、在线测量等特点,因此激光三角测距法相对于其他测量方法有着更加广泛灵活的应用。但激光三角测距法中一直... 详细信息

激光三角测距法作为一种典型的光学测距技术,不仅具有光学测距技术本身的特点,还具有原理易懂、结构简单、装配灵活、性价比高、在线测量等特点,因此激光三角测距法相对于其他测量方法有着更加广泛灵活的应用。但激光三角测距法中一直存在着精度与量程的矛盾,为了解决这一矛盾,本文提出了一种新型的基于光栅多级衍射CCD分段复用的激光三角测量法。本文主要研究内容如下:（1）调研了国内外激光三角测距技术和其量程扩展方法的研究概况,分析了传统激光三角测距系统中量程和精度之间的矛盾以及一些已有的解决方法,并比较了它们的优缺点。（2）提出了基于光栅多级衍射CCD分段复用激光三角测距系统的方法,并对光栅加入三角测距光路以实现多级衍射光分段复用CCD的原理进行了论述,新原理达到了不损失精度的同时扩大量程的目的。设计了适合此方法使用的特定光路并阐述了此方法使用特定光路的原因,推导了该激光三角测距系统的物像关系。（3）对本文研究的激光三角测距装置进行了系统设计,主要包括光学系统和机械结构。光学系统的设计主要包括照明模块的景深,衍射模块的光栅常数和光栅旋转角,探测模块的成像透镜组参数和CCD相机参数。（4）提出了使用图像匹配算法来确定光斑位置的新思路,实现了利用灰度相关算法、绝对误差和算法（SAD算法）和纹理匹配算法（TTM算法）进行光斑位置的计算,解决了传统灰度重心法定位算法对于本文装置的不足。（5）对本文研究的激光三角测距装置所用软件进行了设计,主要包括算法和系统设计,算法包括了光斑分级算法和光斑定位算法。（6）对本文研究的激光三角测距装置进行了验证性实验,主要包括分别使用灰度重心法和三种图像匹配算法进行的系统标定和量程扫描实验,对灰度重心法和三种图像匹配算法得到的实验结果和产生的误差进行了分析和总结。

关键词：激光三角测距装置扩展量程光栅光斑分级、定位算法

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31/2数字电压表组装及扩展应用实验

实验技术与管理 1999年第5期16卷 46-49页

作者：李中山中国矿业大学信电学院

由ＩＣＬ７１０７型Ａ／Ｄ转换器与共阳极ＬＥＤ显示器配上电阻，电容便可构成一块基本量程为２００ｍｖｒ７／２位数字直流电压表。在基本数字电压表的基础上，还可完成电阻，二极管，三极管ｈＰＥ（β）值的测量。

关键词：数字电压表扩展量程测量电路